Электричество из пустоты: физики воссоздали в лаборатории эффект Швингера

Явление усиления силы тока за счёт создания частиц из вакуума теоретически предсказал физик Джулиан Швингер еще 70 лет, основываясь на формуле квантовой электродинамики. Однако до недавнего времени считалось, что воссоздать этот эффект, названный по имени ученого, в земных условиях попросту не представляется возможным.

Вакуум принято считать абсолютно пустым пространством, в котором нет ни материи, ни элементарных частиц. Однако эффект Швингера предполагает, что сверхмощное электрическое либо магнитное поле как бы разлагает вакуум на элементарные частицы — электроны и позитроны. При этом законы физики остаются нерушимыми, так как электрон и позитрон имеют противоположные электрические заряды и другие свойства, а электрическое поле дает энергию для обнаружения частиц. Это как «разложить ноль» на 1 и –1 — результат все равно не изменится.

Пары «частица-античастица» действительно образуются из вакуума, но в нормальных условиях взаимно аннигилируют друг друга в один и тот же момент, и энергия возвращается в вакуум. В итоге получается пустота. Если аналогичное явление произойдет в сверхмощном электрическом или магнитном поле, то энергии будет достаточно, чтобы частицы не разрушились, а смогли далеко разлететься.

Однако в природе такие мощные магнитные поля можно наблюдать у магнетаров — редких нейтронных звезд. Их магнитное поле примерно в 80 млн раз превышает те, что человек когда-либо мог создать в лаборатории.

Для достижения подобного результата исследователи из Манчестерского университета в сотрудничестве с коллегами из других стран использовали графеновые сверхрешетки, к которым подавался очень ток с силой, превышающей максимально возможную для любого из веществ. В результате графен неожиданно выдержал такую силу тока, и буквально из ниоткуда в нем стали появляться заряженные частицы — электроны и позитроны.

В журнале Science ученые сообщают, что просто хотели посмотреть, что произойдет, если довести ток до максимальных значений в простой настольной установке. В графеновых решетках была обнаружена не только сверхпроводимость, но и абсолютно иное явление — эффект Швингера, то есть самоусиление тока через генерируемое им электрическое поле. Спонтанное образование пар электронов и дырок прослеживалось очень четко, и все процессы шли в соответствии с теорией.

Это исследование играет важную роль для разработки будущих электронных устройств на основе двумерных квантовых материалов, но в самом ближайшем будущем этого ждать не стоит. Дело в том, что создание чистого графена — очень дорогостоящий процесс.